JP2021034616A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The techniques disclosed herein relate to semiconductor devices.
SiC基板を用いて製造された半導体装置の開発が進められている。この種の半導体装置のSiC基板は、メインスイッチング素子構造が形成されているアクティブ領域と、センススイッチング素子構造が形成されている電流センス領域と、アクティブ領域と電流センス領域の周囲に位置する周辺領域と、を有している。電流センス領域は、アクティブ領域の例えば1000分の1の面積比で構成されている。この種の半導体装置では、電流センス領域を流れる電流を検出し、その検出された電流を面積比に基づくセンス比を用いて換算することにより、アクティブ領域を流れる電流を監視するように構成されている。特許文献1には、この種の半導体装置の一例が開示されている。
Development of semiconductor devices manufactured using SiC substrates is underway. The SiC substrate of this type of semiconductor device has an active region in which a main switching element structure is formed, a current sense region in which a sense switching element structure is formed, and a peripheral region located around the active region and the current sense region. And have. The current sense region is composed of, for example, a 1/1000 area ratio of the active region. This type of semiconductor device is configured to monitor the current flowing in the active region by detecting the current flowing in the current sense region and converting the detected current using the sense ratio based on the area ratio. There is.
この種の半導体装置を動作させると、SiC基板内に積層欠陥の一種である帯状欠陥が成長することがある。このような帯状欠陥がアクティブ領域内又は電流センス領域内に成長すると、その領域のオン抵抗を増加させる。上記したように、電流センス領域は、比較的に小さい面積で構成されている。このため、電流センス領域内に帯状欠陥が成長すると、電流センス領域のオン抵抗が大きく変動し、電流センス領域を流れる電流が大きく変動する。これにより、アクティブ領域を流れる電流と電流センス領域を流れる電流のセンス比が大きく変動し、アクティブ領域を流れる電流を正確に監視することができなくなってしまう。 When this type of semiconductor device is operated, band-shaped defects, which are a type of stacking defects, may grow in the SiC substrate. When such a band defect grows in the active region or the current sense region, it increases the on-resistance in that region. As described above, the current sense region is composed of a relatively small area. Therefore, when a band-shaped defect grows in the current sense region, the on-resistance of the current sense region fluctuates greatly, and the current flowing in the current sense region fluctuates greatly. As a result, the sense ratio between the current flowing in the active region and the current flowing in the current sense region fluctuates greatly, and it becomes impossible to accurately monitor the current flowing in the active region.
本明細書は、SiC基板を用いて製造された半導体装置において、正確な電流監視機能能を維持することができる半導体装置を提供する。 The present specification provides a semiconductor device capable of maintaining an accurate current monitoring function in a semiconductor device manufactured by using a SiC substrate.
本明細書が開示する半導体装置は、メインスイッチング素子構造が形成されているアクティブ領域と、センススイッチング素子構造が形成されている電流センス領域と、前記アクティブ領域と前記電流センス領域の周囲に位置する周辺領域と、を有する半導体基板、を備えることができる。前記半導体基板は、<11−20>方向にオフ角を有する4H−SiC基板である。前記電流センス領域は、<1−100>方向に沿って見たときに、前記アクティブ領域が存在しない範囲に配置されている。 The semiconductor device disclosed in the present specification is located around the active region in which the main switching element structure is formed, the current sense region in which the sense switching element structure is formed, the active region, and the current sense region. A peripheral region and a semiconductor substrate having the peripheral region can be provided. The semiconductor substrate is a 4H-SiC substrate having an off angle in the <11-20> direction. The current sense region is arranged in a range in which the active region does not exist when viewed along the <1-100> direction.
上記半導体装置が動作すると、前記アクティブ領域内の一部を起点として帯状欠陥が形成され、その帯状欠陥は<1−100>方向に沿って成長する。上記半導体装置では、前記電流センス領域が、<1−100>方向に沿って見たときに、前記アクティブ領域が存在しない範囲に配置されている。このため、前記アクティブ領域内から<1−100>方向に沿って成長する帯状欠陥は、前記電流センス領域内に成長することが抑制される。このため、上記半導体装置では、前記半導体基板内に帯状欠陥が成長しても、前記アクティブ領域を流れる電流と前記電流センス領域を流れる電流のセンス比の変動が抑えられる。上記半導体装置は、正確な電流監視機能能を維持することができる。 When the semiconductor device operates, a band-shaped defect is formed starting from a part of the active region, and the band-shaped defect grows in the <1-100> direction. In the semiconductor device, the current sense region is arranged in a range in which the active region does not exist when viewed along the <1-100> direction. Therefore, the band-shaped defect that grows in the <1-100> direction from the active region is suppressed from growing in the current sense region. Therefore, in the semiconductor device, even if a band-shaped defect grows in the semiconductor substrate, fluctuations in the sense ratio between the current flowing in the active region and the current flowing in the current sense region can be suppressed. The semiconductor device can maintain an accurate current monitoring function.
以下、図面を参照して本実施形態の半導体装置を説明する。以下で参照する図面は、図示明瞭化を目的として、その縮尺が変更されている。また、図面間の縮尺も必要に応じて変更されている点に留意されたい。 Hereinafter, the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to the drawings. The drawings referred to below have been scaled down for clarity. Also note that the scales between the drawings have been changed as needed.
図1に、本実施形態に係る半導体装置1の平面図を模式的に示す。半導体装置1は、半導体基板10を用いて製造されている。半導体基板10は、表面が(0001)面の4H−SiC基板であり、<11−20>方向にオフ角を有している。
FIG. 1 schematically shows a plan view of the
半導体基板10は、アクティブ領域10Aと、電流センス領域10Bと、アクティブ領域10Aと電流センス領域10Bの周囲に位置する周辺領域10Cと、を有している。この例では、アクティブ領域10Aは、一対の矩形状の部分領域を有しており、一方の部分領域を第1アクティブ領域10Aaといい、他方の部分領域を第2アクティブ領域10Abという。
The
半導体基板10のアクティブ領域10Aには、後述するように、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を構成するメインスイッチング素子構造が形成されている。半導体基板10の電流センス領域10Bにも、MOSFETを構成するセンススイッチング素子構造が形成されている。メインスイッチング素子構造とセンススイッチング素子構造の単位セルは共通である。半導体基板10の周辺領域10C内には、ガードリング等の周辺耐圧構造が形成されている。さらに、半導体基板10の周辺領域10C上には、温度センス素子40と、複数種類の小信号パッド50と、が設けられている。
As will be described later, a main switching element structure constituting a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is formed in the
図2に、図1のII−II線に対応した断面図を模式的に示す。図3に、図1のIII−III線に対応した断面図を模式的に示す。図2及び図3に示されるように、アクティブ領域10Aと電流センス領域10Bの各々に形成されているMOSFETは、ドレイン電極22と、ソース電極24と、トレンチゲート部30と、を備えている。
FIG. 2 schematically shows a cross-sectional view corresponding to line II-II of FIG. FIG. 3 schematically shows a cross-sectional view corresponding to lines III-III of FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, the MOSFET formed in each of the
ドレイン電極22は、半導体基板10の裏面上に設けられている。ソース電極24は、半導体基板10のうちのアクティブ領域10A及び電流センス領域10B上に設けられている。トレンチゲート部30は、半導体基板10のうちのアクティブ領域10A及び電流センス領域10Bの表層部に設けられており、ゲート電極32及びゲート絶縁膜34を有している。ゲート電極32は、ゲート絶縁膜34によって半導体基板10から絶縁されている。
The
半導体基板10には、n+型のドレイン領域11と、n型のドリフト領域12と、p型のボディ領域13と、p+型のボディコンタクト領域14と、n+型のソース領域15と、p型のディープ領域16と、が形成されている。
The
ドレイン領域11は、半導体基板10の裏層部に設けられており、半導体基板10の裏面に露出する位置に配置されている。ドレイン領域11は、ドリフト領域12をエピタキシャル成長するための下地基板である。ドレイン領域11は、半導体基板10の裏面を被覆するドレイン電極22にオーミック接触している。
The
ドリフト領域12は、ドレイン領域11上に設けられており、ドレイン領域11とボディ領域13を隔てている。ドリフト領域12は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域11の表面から結晶成長して形成される。
The
ボディ領域13は、アクティブ領域10Aと電流センス領域10Bに対応する位置のドリフト領域12上に設けられており、半導体基板10の表層部に配置されている。ボディ領域13は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面に向けてアルミニウムをイオン注入し、半導体基板10の表層部に形成される。
The
ボディコンタクト領域14は、ボディ領域13上に設けられており、半導体基板10の表層部に位置しており、半導体基板10の表面に露出する位置に配置されている。ボディコンタクト領域14は、ボディ領域13よりもp型不純物の濃度が濃い領域であり、ソース電極24にオーミック接触している。これにより、ボディ領域13は、ボディコンタクト領域14を介してソース電極24に電気的に接続されている。ボディコンタクト領域14は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面に向けてアルミニウムをイオン注入し、半導体基板10の表層部に形成される。
The
ソース領域15は、ボディ領域13上に設けられており、半導体基板10の表層部に位置しており、半導体基板10の表面に露出する位置に配置されている。ソース領域15は、ボディ領域13によってドリフト領域12から隔てられているとともにトレンチゲート部30の側面に接している。ソース領域15は、ソース電極24にオーミック接触している。ソース領域15は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面に向けて窒素をイオン注入し、半導体基板10の表層部に形成される。
The
ディープ領域16は、ボディ領域13に隣接して設けられており、半導体基板10の表層部に位置しており、半導体基板10の表面に露出する位置に配置されている。ディープ領域16は、アクティブ領域10Aと周辺領域10Cの境界、及び、電流センス領域10Bと周辺領域10Cの境界に沿って形成されている。ディープ領域16は、ボディ領域13よりも深く形成されている。ディープ領域16は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面に向けてボロンをイオン注入し、半導体基板10の表層部に形成される。
The
このように、アクティブ領域10Aと電流センス領域10Bの各々には、単位セルを共通とするMOSFETが形成されている。電流センス領域10Bは、アクティブ領域10Aの例えば1000分の1の面積比で構成されている。半導体装置1では、電流センス領域10Bを流れる電流を検出し、その検出された電流を面積比に基づくセンス比を用いて換算することにより、アクティブ領域10Aを流れる電流を監視するように構成されている。
As described above, MOSFETs having a common unit cell are formed in each of the
ここで、半導体基板10の周辺領域10Cの表層部には、ガードリング構造又はリサーフ構造等の周辺耐圧構造が形成されているが、図2及び図3では、図示明瞭化を目的として、そのような周辺耐圧構造を省略して図示している。
Here, a peripheral pressure-resistant structure such as a guard ring structure or a resurf structure is formed on the surface layer portion of the
図3に示されるように、温度センス素子40は、半導体基板の周辺領域10C上に設けられており、半導体基板10上の層間絶縁膜上に成膜されたポリシリコン層を用いて構成されている。温度センス素子40は、p型のアノード領域42とn型のカソード領域44を有しており、このアノード領域42とカソード領域44が隣接して構成されたダイオード素子である。温度センス素子40は、イオン注入技術を利用して、ポリシリコン層にp型不純物とn型不純物をイオン注入することで形成されている。温度センス素子40は、温度変化に依存して順方向電圧が変化する特性を利用して温度を検知するものである。なお、この例では、温度センス素子40が半導体基板10上に設けられているが、この例に代えて、半導体基板10内に設けられていてもよい。
As shown in FIG. 3, the
図1に戻る。半導体装置1では、電流センス領域10Bが、<1−100>方向に沿って見たときに、アクティブ領域10Aが存在しない範囲に配置されている。より具体的には、電流センス領域10Bは、<1−100>方向に沿って見たときに、第1アクティブ領域10Aaと第2アクティブ領域10Abの間に配置されている。また、電流センス領域10Bは、小信号パッド50間に配置されている。より具体的には、電流センス領域10Bは、<11−20>方向において、小信号パッド50間に配置されている。
Return to FIG. In the
また、半導体装置1では、温度センス素子40が、第1アクティブ領域10Aaと第2アクティブ領域10Abの間に位置する周辺領域10Cに配置されている。このように、温度センス素子40と電流センス領域10Bは、<11−20>方向において対向するように配置されている。
Further, in the
次に、図4を参照して、半導体装置1の特徴を説明する。上記したように、半導体装置1は、下地基板であるドレイン領域11の表面からドリフト領域12をエピタキシャル成長して形成されている。このため、よく知られているように、ドレイン領域11とドリフト領域12の界面付近には、基底面転位(Basal Plane Dislocation : BPD)及び基底面転位から変換された貫通刃状転位(Threading Edge Dislocation : TED)が存在している。
Next, the features of the
半導体装置1のスイッチング動作において、ソース電極24の電位がドレイン電極22の電位よりも高くなる逆バイアスモードが発生する。このような逆バイアスモードでは、ボディ領域13とドリフト領域12で構成される内蔵pnダイオードが順バイアスされるので、内蔵pnダイオードが還流ダイオードとして動作することができる。これにより、逆バイアスモードでは、ボディ領域13からドリフト領域12に正孔が注入される。このとき、注入された正孔が基底面転位又は貫通刃状転位に達すると、これら転位を起点とする積層欠陥を拡張し、半導体基板10内に帯状欠陥100が現れる。このような帯状欠陥100は、<1−100>方向に沿って成長し、その幅が200μm程度にまで達することがある。
In the switching operation of the
上記したように、このような帯状欠陥100は、内蔵pnダイオードの動作によって注入された正孔が基底面転位又は貫通刃状転位に達することで形成される。このため、このような帯状欠陥100は、アクティブ領域10Aに存在する基底面転位又は貫通刃状転位を起点として形成され、<11−20>方向に沿って成長する。
As described above, such a band-shaped
半導体装置1では、電流センス領域10Bが、<1−100>方向に沿って見たときに、アクティブ領域10Aが存在しない範囲に配置されている。このため、半導体装置1では、アクティブ領域10Aから成長してくる帯状欠陥100は、電流センス領域10Bを通過することが抑制されている。
In the
仮に、帯状欠陥100が電流センス領域10B内に成長すると、電流センス領域10Bのオン抵抗を増加させる。上記したように、電流センス領域10Bは、比較的に小さい面積で構成されている。このため、電流センス領域10B内に帯状欠陥100が成長すると、電流センス領域10Bのオン抵抗が大きく変動し、電流センス領域10Bを流れる電流が大きく変動する。これにより、アクティブ領域10Aを流れる電流と電流センス領域10Bを流れる電流のセンス比が大きく変動し、アクティブ領域10Aを流れる電流を正確に監視することができなくなってしまう。
If the band-shaped
一方、半導体装置1では、上記したように、帯状欠陥100が電流センス領域10B内に成長することが抑制されている。アクティブ領域10A内に帯状欠陥100が形成されるものの、アクティブ領域10Aは比較的に大きい面積で構成されていることから、オン抵抗の変動が小さい。このため、半導体装置1では、半導体基板10内に帯状欠陥100が形成されても、アクティブ領域10Aを流れる電流と電流センス領域10Bを流れる電流のセンス比の変動が抑えられる。したがって、半導体装置1は、正確な電流監視機能能を維持することができる。
On the other hand, in the
また、半導体装置1では、電流センス領域10Bが、<1−100>方向に沿って見たときに、第1アクティブ領域10Aaと第2アクティブ領域10Abの間に配置されている。第1アクティブ領域10Aaと第2アクティブ領域10Abの間の周辺領域10Cは、ゲート電極32に接続される配線及び温度センス素子40に接続される配線等を配設するために確保されるべき領域である。さらに、半導体装置1では、第1アクティブ領域10Aaと第2アクティブ領域10Abの間の周辺領域10Cに温度センス素子40が設けられている。すなわち、電流センス領域10Bは、各種配線及び温度センス素子40を配置する目的でアクティブ領域10Aが形成されない領域に対応して配置されている。したがって、半導体装置1では、アクティブ領域10Aの面積を減らすことなく、<1−100>方向に沿ってアクティブ領域10Aが存在しない位置関係で電流センス領域10Bを配置することができる。
Further, in the
なお、上記実施形態では、アクティブ領域10Aが、一対の部分領域、すなわち、第1アクティブ領域10Aaと第2アクティブ領域10Abで構成されている場合を例示した。図5に示されるように、アクティブ領域10Aを構成する部分領域の数が3つであってもよい。この場合も、電流センス領域10Bは、<1−100>方向に沿って見たときに、アクティブ領域10Aの部分領域間に配置されている。なお、アクティブ領域10Aを構成する部分領域の数が4つ以上であっても同様である。また、電流センス領域10Bと温度センス素子40は、<11−20>方向において対向するように配置されていてもよいし、<11−20>方向において対向するように配置されていなくてもよい。
In the above embodiment, the case where the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described herein or in the drawings exhibit their technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in this specification or drawings achieve a plurality of objectives at the same time, and achieving one of the objectives itself has technical usefulness.
1 :半導体装置
10 :半導体基板
10A :アクティブ領域
10Aa :第1アクティブ領域
10Ab :第2アクティブ領域
10B :周辺領域
10C :電流センス領域
11 :ドレイン領域
12 :ドリフト領域
13 :ボディ領域
14 :ボディコンタクト領域
15 :ソース領域
16 :ディープ領域
22 :ドレイン電極
24 :ソース電極
30 :トレンチゲート部
32 :ゲート電極
34 :ゲート絶縁膜
40 :温度センス素子
42 :アノード領域
44 :カソード領域
50 :小信号パッド
1: Semiconductor device 10:
Claims (3)
メインスイッチング素子構造が形成されているアクティブ領域と、センススイッチング素子構造が形成されている電流センス領域と、前記アクティブ領域と前記電流センス領域の周囲に位置する周辺領域と、を有している半導体基板、を備えており、
前記半導体基板は、<11−20>方向にオフ角を有する4H−SiC基板であり、
前記電流センス領域は、<1−100>方向に沿って見たときに、前記アクティブ領域が存在しない範囲に配置されている、半導体装置。 It is a semiconductor device
A semiconductor having an active region in which a main switching element structure is formed, a current sense region in which a sense switching element structure is formed, and a peripheral region located around the active region and the current sense region. Equipped with a board,
The semiconductor substrate is a 4H-SiC substrate having an off angle in the <11-20> direction.
A semiconductor device in which the current sense region is arranged in a range in which the active region does not exist when viewed along the <1-100> direction.
前記第1アクティブ領域と前記第2アクティブ領域は、前記半導体基板内で離間して配置されており、
前記電流センス領域は、<1−100>方向に沿って見たときに、前記第1アクティブ領域と前記第2アクティブ領域の間に配置されている、請求項1に記載の半導体装置。 The active region has a first active region and a second active region.
The first active region and the second active region are arranged apart from each other in the semiconductor substrate.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the current sense region is arranged between the first active region and the second active region when viewed along the <1-100> direction.
前記温度センス素子は、前記第1アクティブ領域と前記第2アクティブ領域の間に位置する前記周辺領域に配置されている、請求項2に記載の半導体装置。 It also has a temperature sense element,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the temperature sense element is arranged in the peripheral region located between the first active region and the second active region.
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